(57)【要約】【課題】たとえばロータとステータとの接触に偏りが生じてしまった場合にも安定したトルクを維持することができるようにすることである。【解決手段】ロータに接するステータの振動片を圧電素子によって振動させてロータを駆動する超音波モータにおいて、前記ステータの進行波を発生するための各相を、前記圧電素子の内周と外周とに配置したことを特徴とする。【選択図】図５
2007135267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータに接するステータの振動片を圧電素子によって振動させてロータを駆動する超音波モータにおいて、
前記ステータの進行波を発生するための各相を、前記圧電素子の内周と外周とに配置したことを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記圧電素子が平板環状であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記ロータが球体であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波モータに関し、詳しくはロータに接するステータの振動片を振動させてロータを駆動する超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、磁力を使わずにステータ側の圧電素子の振動により、そのステータに接するロータを駆動することができる超音波モータの開発が進んでいる。
【０００３】
超音波モータではステータの数やロータの形状を工夫することによって様々な用途に用いることができ、たとえばディスク型やリング型のロータがすでによく知られている。また最近では、ロータを球体にした球面超音波モータの開発も進んできている。
【０００４】
このような超音波モータのステータは、たとえば平板円環状の圧電素子の所定個所を所定方向に分極させてＡ相およびＢ相を形成して圧電素子部材とし、この圧電素子部材のＡ相、Ｂ相ごとに設けた駆動電極に対して所定電圧を印加して圧電素子部材上の弾性体の振動片にて進行波の振動を発生させる。ステータに接するロータはこの振動片の振動にて駆動される。
【０００５】
特許文献１や特許文献２には、従来の超音波モータの圧電素子部材の分極構造が開示されている。この構造について図８を参照して以下に説明する。
【０００６】
図８は従来の超音波モータの圧電素子部材の構造を示す図であり、（ａ）は従来の超音波モータの圧電素子部材の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）を一点鎖線で示す軸Ｙ−Ｙで回転させて裏から見た斜視図であり、（ｃ）は（ａ）の一部を破断して示す部分破断斜視図である。
【０００７】
図８（ａ）、図８（ｂ）および図８（ｃ）に示すように、従来の超音波モータの圧電素子部材１３１は、平板円環状の圧電素子１３６と、圧電素子１３６のうちの所定の圧電素子片にＡ相のための所定方向の分極をさせるための個別電極１３４と、圧電素子１３６のうちの所定の圧電素子片にＢ相のための所定方向の分極をさせるための個別電極１３５と、Ａ相の圧電素子片を駆動するための駆動電極１３８と、Ｂ相の圧電素子片を駆動するための駆動電極１３７と、圧電素子１３６のうちの所定の圧電素子片に振動検出用の所定方向の分極をさせるための個別電極１５０と、圧電素子１３６の振動によって個別電極１５０下の圧電素子片が発生する電位を検出するための振動検出用電極１５１と、Ａ相の駆動電極１３８に電圧印加するための配線１４０と、Ｂ相の駆動電極１３７に電圧印加するための配線１４１と、振動検出用電極１５１から電位検出するための配線１４２とを有して構成される。
【０００８】
図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、従来の超音波モータの圧電素子部材１３１では、平板円環状の圧電素子１３６の円周方向の一部をＡ相、円周方向の他の一部をＢ相とし、Ａ相とＢ相とを時間的に位相をずらして駆動して、振動の進行波を発生させるようにしていた。
【０００９】
【特許文献１】特開平５−５６６７０号公報
【特許文献２】特公平１−１７３５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、上述の従来技術には以下のような問題があった。
【００１１】
すなわち図８（ａ）〜（ｃ）に示すような従来例では、進行波を発生させるために円周方向に分割したＡ相とＢ相とを時間的に位相をずらして駆動するため、片相駆動時はその対極側がフリー状態になり、円周上に振動ムラが生じやすく、安定したトルクが発生されず、極端な場合はロータを駆動することができなくなってしまうという問題があった。
【００１２】
また、ロータとステータとの接触状態が外乱等により均一でなくなると、安定した進行波が形成されず、トルクのばらつきが生じてしまうという問題があった。
【００１３】
本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、ロータに接するステータの振動片を圧電素子によって振動させてロータを動かす超音波モータにおいて、ロータとステータとの接触に偏りが生じてしまった場合にも安定したトルクを維持することができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、ロータに接するステータの振動片を圧電素子によって振動させてロータを駆動する超音波モータにおいて、前記ステータの進行波を発生するための各相を、前記圧電素子の内周と外周とに配置したことを特徴とする。
【００１５】
また本発明は請求項１に記載の発明において、前記圧電素子が平板環状であることを特徴とする。
【００１６】
また本発明は請求項１に記載の発明において、前記ロータが球体であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ロータに接するステータの振動片を圧電素子によって振動させてロータを動かす超音波モータにおいて、ロータとステータとの接触に偏りが生じてしまった場合にも安定したトルクを維持することができる。
【００１８】
また本発明は、構造的に振動ムラが生じにくく、ロータとステータとの接触状態によらず安定した進行波が形成され、安定したトルクを発生することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施の形態による球面超音波モータの概略を示す斜視図である。
【００２１】
本実施の形態ではロータが球体である球面超音波モータの場合について説明するが、本発明による超音波モータではロータの形状を問わず、たとえば平板状のロータを用いることもできる。
【００２２】
図１に示すように、本実施の形態による超音波モータ１は、球体のロータ２を、枠部材４に設けられた３個のステータ３ａ、３ｂおよび３ｃによって保持して回転させる。ステータ３ａ、３ｂおよび３ｃのロータ２と接する面には後に図２に示す多数の振動片３３が設けられており、この振動片３３が振動して進行波を発生し、これによってロータ２が回転させられる。
【００２３】
図２は、図１に示したステータ３ｂを、ロータ２に押し付ける面から見た平面図である。
【００２４】
図２に示すように、ステータ３ｂのロータ２に押し付ける面には、ステータ３ｂの円周に沿って多数の振動片３３が設けられている。これらの振動片３３の下には後に図３に示す圧電素子部材３１が設けられており、その圧電素子部材の圧電素子は電圧印加によって伸縮し振動片３３を振動させる。超音波モータ１では、この振動を制御することによってロータ２を任意の方向に回転させることができる。
【００２５】
なお、本実施の形態においては各ステータ３ａ、３ｂ、３ｃの構造は同様であるので、以下では代表してステータ３ｂについて説明する。
【００２６】
図３は、図２に示したステータ３ｂを弾性体３０と圧電素子部材３１とに分解して示す分解斜視図である。
【００２７】
図３に示すように、ステータ３ｂは弾性体３０と圧電素子部材３１とから構成される。
【００２８】
弾性体３０の表面には、図２にも示したように、多数の振動片３３が設けられている。
【００２９】
圧電素子部材３１は、平板円環状の圧電素子３６と、圧電素子３６のうちの所定の圧電素子片にＡ相のための所定方向の分極をさせるための個別電極３４と、圧電素子３６のうちの所定の圧電素子片にＢ相のための所定方向の分極をさせるための個別電極３５と、Ａ相の圧電素子片を駆動するための駆動電極３８と、Ｂ相の圧電素子片を駆動するための駆動電極３７と、Ａ相の駆動電極３８に電圧印加するための配線４０と、Ｂ相の駆動電極３７に電圧印加するための配線４１とを有して構成される。
【００３０】
個別電極３４、個別電極３５、駆動電極３７および駆動電極３８はたとえば銀電極であり、配線４０および配線４１のそれぞれは、たとえばハンダ付けによって、配線４０が駆動電極３８に、配線４１が駆動電極３７に接続される。
【００３１】
図４は、図３に示したステータ３ｂの圧電素子部材３１の構造を示す図であり、（ａ）は圧電素子部材３１の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）を一点鎖線で示す軸Ｘ−Ｘで回転させて裏から見た斜視図であり、（ｃ）は（ａ）の一部を破断して示す部分破断斜視図である。
【００３２】
図４（ａ）、図４（ｂ）および図４（ｃ）に示すように、本実施の形態の超音波モータ１の圧電素子部材３１では、平板円環状の圧電素子３６の円周の内側部分をＡ相、円周の外側部分をＢ相とし、Ａ相とＢ相とを時間的に位相をずらして駆動して振動の進行波を発生させる。
【００３３】
なお、本実施の形態における圧電素子部材３１では、圧電素子３６の円周方向の全周にわたってＡ相およびＢ相それぞれの圧電素子片を形成するようにしているが、本発明はこれに限られるものではなく、円周方向のある部分にはＡ相やＢ相が形成されない構造であってもかまわない。
【００３４】
また、本実施の形態では、図３に示したように圧電素子部材３１の個別電極３４や個別電極３５が設けられた面が弾性体３０に接するように構成したが、本発明はこれに限られるものではなく、圧電素子部材３１の駆動電極３７や駆動電極３８が設けられた面が弾性体３０に接するように構成してもよい。
【００３５】
また、本実施の形態では、図４（ｂ）に示したように圧電素子部材３１に駆動電極３７および駆動電極３８を設けるようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、図４（ｂ）の駆動電極３７の領域および駆動電極３８の領域の両方に行き渡る１つの電極を設けて構成してもよい。
【００３６】
図５は圧電素子部材の分極方向を示す図であり、（ａ）は図４（ａ）に示した本実施の形態の圧電素子部材３１の分極方向を示す平面図であり、（ｂ）は図８（ａ）に示した従来例の圧電素子部材１３１の分極方向を示す平面図である。
【００３７】
図５（ａ）に示すように、本実施の形態の圧電素子部材３１は、円周の内側部分がＡ相とされ、そのＡ相にて分極方向が逆の圧電素子片が交互に、それぞれ３６°の角度を有して設けられており、また、円周の外側部分がＢ相とされ、そのＢ相にて分極方向が逆の圧電素子片が交互に、それぞれ３６°の角度を有して設けられている。また、図５（ａ）に示すように、Ａ相とＢ相とは１８°ずらして構成されている。
【００３８】
一方、図５（ｂ）に示すように、従来例の圧電素子部材１３１は、円周方向左側部分がＡ相とされ、そのＡ相にて分極方向が逆の圧電素子片が交互に、それぞれたとえば３６°の角度を有して設けられており、また、円周方向右側部分がＢ相とされ、そのＢ相にて分極方向が逆の圧電素子片が交互に、それぞれたとえば３６°の角度を有して設けられている。また、図５（ｂ）に示すように、Ａ相とＢ相とはたとえば１８°ずらして構成されている。
【００３９】
図５（ａ）と図５（ｂ）とを比較してわかるように、本実施の形態では、圧電素子において各相を内側と外側との２重にリング状に配置しており、それぞれがステータの全周を加振するため各相の定在波が均一に生成し、ロスのない安定した進行波を発生させることができる。
【００４０】
図６はステータのインピーダンス特性の実験値を示す図であり、（ａ）は図２に示した本実施の形態のステータ３ｂのインピーダンス特性を示す図であり、（ｂ）は図８（ａ）に示した従来例の圧電素子部材１３１を用いたステータのインピーダンス特性を示す図である。
【００４１】
本実施の形態のステータ３ｂによれば、図６（ａ）に示すように、ある１つの周波数範囲にて大きな共振が示されている。これに対して従来例の圧電素子部材１３１を用いたステータでは、図６（ｂ）に示すように、複数の周波数範囲にて共振が示され、それぞれが本実施の形態と比べて小さなものである。このため、本実施の形態によれば、従来よりも効率のよい超音波モータを提供することができる。
【００４２】
図７は、超音波モータのステータをロータに押し付ける力と、その超音波モータのトルクとの関係の実験値を示す図である。
【００４３】
図７に示すように、本実施の形態の超音波モータおよび従来例の超音波モータの両者とも、押し付け力の増加とともにトルクも増加するが、本実施の形態の超音波モータの方が高トルクを発生することができる。
【００４４】
なお、上述の実施の形態では、円環状の圧電素子をステータとして用いたが、本発明はこれに限られるものではなく、たとえば楕円の環状にしてもよく、進行波の経路がループしていればどのような形状であってもかまわない。
【００４５】
また、本実施の形態は、ロータがステータの進行波経路の全周に同時に接して駆動されるものについて説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、たとえば、ステータに比べてロータが小型であり、進行波経路の一部にロータが載せられ、進行波経路のループにそってそのロータを移動させるような場合（たとえばレール上を車両が移動する場合において車両をロータとし、レールをステータの進行波経路とする場合）にも、本発明は適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施の形態による球面超音波モータの概略を示す斜視図である。
【図２】図１に示したステータ３ｂを、ロータ２に押し付ける面から見た平面図である。
【図３】図２に示したステータ３ｂを弾性体３０と圧電素子部材３１とに分解して示す分解斜視図である。
【図４】図３に示したステータ３ｂの圧電素子部材３１の構造を示す図であり、（ａ）は圧電素子部材３１の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）をそこに一点鎖線で示す軸で回転させて裏から見た斜視図であり、（ｃ）は（ａ）の一部を破断して示す部分破断斜視図である。
【図５】圧電素子部材の分極方向を示す図であり、（ａ）は図４（ａ）に示した本実施の形態の圧電素子部材３１の分極方向を示す平面図であり、（ｂ）は図８（ａ）に示した従来例の圧電素子部材１３１の分極方向を示す平面図である。
【図６】ステータのインピーダンス特性の実験値を示す図であり、（ａ）は図２に示した本実施の形態のステータ３ｂのインピーダンス特性を示す図であり、（ｂ）は図８（ａ）に示した従来例の圧電素子部材１３１を用いたステータのインピーダンス特性を示す図である。
【図７】超音波モータのステータをロータに押し付ける力と、その超音波モータのトルクとの関係の実験値を示す図である。
【図８】従来の超音波モータの圧電素子部材の構造を示す図であり、（ａ）は従来の超音波モータの圧電素子部材の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）をそこに一点鎖線で示す軸で回転させて裏から見た斜視図であり、（ｃ）は（ａ）の一部を破断して示す部分破断斜視図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  超音波モータ
２  ロータ
３ａ、３ｂ、３ｃ  ステータ
４  枠部材
３３  振動片
３４、３５  固定電極
３６  圧電素子
３７、３８  駆動電極
４０、４１  配線
【図１】
2007135267.tif 000003
【図２】
2007135267.tif 000004
【図３】
2007135267.tif 000005
【図４】
2007135267.tif 000006
【図５】
2007135267.tif 000007
【図６】
2007135267.tif 000008
【図７】
2007135267.tif 000009
【図８】
2007135267.tif 000010